Balanço necessidades disponibilidades. 12 de Novembro

Balanço necessidades disponibilidades 12 de Novembro

Balanço necessidades-disponibidades Necessidade média diária: 100 l/s 0,1 (m3/s) x 24 x 60 x 60 = 8 640 m3/dia Necessidades mensal: 8 640 x 30 = 259 200 m3 = 259.2 dam3 Necessidade anual 259.2 x 12 = 3 110.4 dam3 = 3.1 hm3 Prob não excedência 1.00 0.90 0.80 0.70 0.60 0.50 0.40 0.30 0.20 0.10 0.00 0 200000 400000 600000 800000 1000000 Necessidade anual Escoamento anual (dam3) IST: Gestão Integrada de Bacias Hidrográficas Rodrigo Proença de Oliveira, 2008 107 Prob não excedencia 1.00 0.90 0.80 0.70 0.60 0.50 0.40 0.30 0.20 0.10 0.00 0 500 1000 1500 2000 Escoamento mensal minimo (dam3) Necessidade mensal

O que fazer quando as disponibilidades superficiais da bacia não são suficientes? Racionalizar necessidades; Procurar novas origens: Origens superficiais; Origens subterrâneas; Reutilização de água; Dessalinização. Aumentar a capacidade de regularização: Quando o problema é o desfasamento temporal entre as disponibilidades e as necessidades. IST: Gestão Integrada de Bacias Hidrográficas Rodrigo Proença de Oliveira, 2008 108

Necessidade de armazenamento Armazenamento Afluência Efluência Albufeiras Aquíferos Evaporação Recarga Albufeiras e aquíferos proporcionam uma capacidade de armazenamento temporário da água o que permite a compatibilização temporal das disponibilidade de água com as necessidades. IST: Gestão Integrada de Bacias Hidrográficas Rodrigo Proença de Oliveira, 2008 109

Zonas de armazenamento Evaporação Captação NMC NPA Afluências Nme Volume de encaixe de cheias Volume útil Volume morto Descarga Energia H Volume turbinado IST: Gestão Integrada de Bacias Hidrográficas Rodrigo Proença de Oliveira, 2008 110

Dimensionamento do volume de encaixe de cheias Qafluente NMC NPA Encaixe de cheias Volume útil Descarga Qefluente Nme Volume morto Tempo Tempo Redução do pico da cheia Volume encaixado IST: Gestão Integrada de Bacias Hidrográficas Rodrigo Proença de Oliveira, 2008 111

Dimensionamento do volume morto Volume morto: Volume abaixo do nível da tomada de água de cota mais baixa Dimensão do volume morto: Depende da orografia do local de implantação da barragem; Caudal sólido afluente à albufeira; Expectativa de vida útil da infra-estrutura. NMC NPA Deposição de sólidos Caudal sólido Nme Volume morto Descarga de fundo IST: Gestão Integrada de Bacias Hidrográficas Rodrigo Proença de Oliveira, 2008 112

Dimensionamento do volume útil Qual deve ser o valor adequado do volume útil de uma albufeira, para satisfazer um conjunto de usos com uma dada garantia de abastecimento? Excesso de volume útil: Maior volume de investimento; Maior custo de operação; Impactos mais significativos; Défice de volume útil: Insuficiente garantia de abastecimento. IST: Gestão Integrada de Bacias Hidrográficas Rodrigo Proença de Oliveira, 2008 113

Balanço de massas Evaporação Captação NMC Volume de encaixe de cheias Descarga NPA Afluências Nme Volume útil Energia H Volume morto Volume turbinado Vt+1 = Vt + Qt Et R1t R2t St Vt+1 Volume armazenado no inicio do mês t+1 Vt Volume armazenado no inicio do mês t Et Volume evaporado durante o mês t Qt Volume afluente durante o mês t R1t Volume captado (atribuído ao uso 1) durante o mês t R2t Volume captado (atribuído ao uso 2) durante o mês t St Volume descarregado (pelo descarregador de cheias) durante o mês t Qt Et V R1t R2t St IST: Gestão Integrada de Bacias Hidrográficas Rodrigo Proença de Oliveira, 2008 114

Método dos picos sucessivos Σ Qt - Nt K3 K4 Não considera a evaporação; Assume que a necessidade é satisfeita com uma garantia de 100% K1 K2 K = Max (K1, K2, Kn) tempo Período de escassez de água (necessidades excedem as afluências) Período de excesso de água (afluências excedem as necessidades) IST: Gestão Integrada de Bacias Hidrográficas Rodrigo Proença de Oliveira, 2008 115

Método dos picos sucessivos Out. 1917, Q1 Nov. 1917, Q2 Dez. 1917, Q3 Jan. 1918, Q4 Fev. 1918, Q5 Mar. 1918, Q6.. Ago. 1990, QM-1 Set. 1990, QM Out. 1917, Q1 Nov. 1917, Q2 Dez. 1917, Q3 Jan. 1918, Q4 Fev. 1918, Q5 Mar. 1918, Q6.. Ago. 1990, QM-1 Set. 1990, QM Out. 1917, Q1, Q1-N Nov. 1917, Q2, Q1+Q2 2N Dez. 1917, Q3, Q1+Q2+Q3 3N Jan. 1918, Q4, Q1+Q2+Q3+Q4 4N Fev. 1918, Q5,. Mar. 1918, Q6,... Ago. 1990, QM-1,. Set. 1990, QM... Out. 1917, Q1... Nov. 1917, Q2... Dez. 1917, Q3... Jan. 1918, Q4... Fev. 1918, Q5... Mar. 1918, Q6..... Ago. 1990, QM-1,... Set. 1990, QM,... Σ Qt - Nt tempo IST: Gestão Integrada de Bacias Hidrográficas Rodrigo Proença de Oliveira, 2008 116

Simulação matemática Et Qt V R1t R2t St Balanço de massas Vt+1 = Vt + Qt Et R1t R2t St Cálculo da evaporação: Et = At x et (volume, e.g. dam3) At - Área inundada (e.g. km2) et Evaporação (mm) A = f(v), A = f(h) curva de área inundada V = f(h), curva de volumes armazenados IST: Gestão Integrada de Bacias Hidrográficas Rodrigo Proença de Oliveira, 2008 117

Curva características Curva de áreas inundadas Cota do plano de água, H Area inundada, A Curva de volumes armazenados Cota do plano de água, H Volume armazenado, V IST: Gestão Integrada de Bacias Hidrográficas Rodrigo Proença de Oliveira, 2008 118

Curvas características - Alqueva IST: Gestão Integrada de Bacias Hidrográficas Rodrigo Proença de Oliveira, 2008 119

Simulação matemática Regra de operação para o periodo t Rt = f(vt, Nt) Rt + St Nt Kt St (valor descarregado); Necessidade, Nt; Volume (capacidade) da albufeira, K; St = max (0, Vt+Qt-Nt-Et-K) Vt+Qt IST: Gestão Integrada de Bacias Hidrográficas Rodrigo Proença de Oliveira, 2008 120

Simulação (em MS Excel) IST: Gestão Integrada de Bacias Hidrográficas Rodrigo Proença de Oliveira, 2008 121

Resultados 50000 45000 40000 35000 30000 25000 20000 15000 10000 Volume Armazenado (dam3) 5000 0 Out-17 Out-20 Out-23 Out-26 Out-29 Out-32 Out-35 Out-38 Out-41 Out-44 Out-47 Out-50 Out-53 Out-56 Out-59 Out-62 Out-65 Out-68 Out-71 Out-74 Out-77 Out-80 Out-83 Out-86 Out-89 IST: Gestão Integrada de Bacias Hidrográficas Rodrigo Proença de Oliveira, 2008 122

Resultados K = 45 000 dam3 N = 8 000 dam3/mês 50000 45000 40000 35000 30000 25000 20000 15000 10000 Volume Armazenado (dam3) 5000 0 K = 65 000 dam3 N = 8 000 dam3/mes 70000 60000 50000 40000 30000 20000 10000 0 Out-17 Out-20 Out-23 Out-26 Out-29 Out-32 Out-35 Out-38 Out-41 Out-44 Out-47 Out-50 Out-53 Out-56 Out-59 Out-62 Out-65 Out-68 Out-71 Out-74 Out-77 Out-80 Out-83 Out-86 Out-89 Volume Armazenado (dam3) Out-17 Out-20 Out-23 Out-26 Out-29 Out-32 Out-35 Out-38 Out-41 Out-44 Out-47 Out-50 Out-53 Out-56 Out-59 Out-62 Out-65 Out-68 Out-71 Out-74 Out-77 Out-80 Out-83 Out-86 Out-89 IST: Gestão Integrada de Bacias Hidrográficas Rodrigo Proença de Oliveira, 2008 123

Indicadores de desempenho Garantia/fiabilidade Mede a capacidade do sistema em satisfazer as necessidades Tempo: Garantia_T = #anos sem falha / #anos simulados Volume: Garantia_V = Volume fornecido / Necessidades Vulnerabilidade Mede a gravidade das falhas; Exemplos: Duração média das falhas; % das necessidades não satisfeitas em caso de falha Resiliência Mede a capacidade do sistema em recuperar de uma falha Probabilidade de não existir uma falha após uma falha (número de vezes em que uma falha sucede a uma falha sobre o número total de falhas). IST: Gestão Integrada de Bacias Hidrográficas Rodrigo Proença de Oliveira, 2008 124

Relações Volume fornecido vs volume da albufeira vs garantia Em Volume fornecido G3 G2 G1 Volume da albufeira, K Volume fornecido vs volume da albufeira para diferentes variabilidades de escoamento afluente Em Volume fornecido com um dado valor de garantia S3 S2 S1 Volume da albufeira, K IST: Gestão Integrada de Bacias Hidrográficas Rodrigo Proença de Oliveira, 2008 125

Relações Volume fornecido vs volume da albufeira vs garantia Em Volume fornecido G3 G2 G1 G1 > G2 > G3 Volume da albufeira, K Volume fornecido com um dado valor de garantia Volume fornecido vs volume da albufeira para diferentes variabilidades de escoamento afluente Em S3 S2 S1 S1 > S2 > S3 Volume da albufeira, K IST: Gestão Integrada de Bacias Hidrográficas Rodrigo Proença de Oliveira, 2008 126

Exploração de albufeiras Regra de exploração: Volumes atribuir a cada uso ou níveis de água a cumprir na albufeira em função de: Estado do sistema Necessidades Expectativa de afluências Valores médios tendo em conta a época do ano; Função de distribuição das afluências tendo em conta a época do ano; Previsões específicas para a data em causa. Gráfico ou tabela vs modelos matemáticos IST: Gestão Integrada de Bacias Hidrográficas Rodrigo Proença de Oliveira, 2008 127

Políticas de operação de albufeiras

Albufeira independente: 1 utilização Curva de alocação (release rule) Curva A Fornece toda a água que tem, mesmo quando não é possível satisfazer a totalidade das necessidades. Q V R N R+S K Curva A S R V+Q Curva B Só fornece quando consegue satisfazer todas as necessidades. N R+S K Curva B S R V+Q IST: Gestão Integrada de Bacias Hidrográficas Rodrigo Proença de Oliveira, 2008 129

Albufeira independente: 2 utilizações Curva de alocação (release rule) Q R+S V R1 R2 Na Nr Nr Na S Rr Ra K V+Q IST: Gestão Integrada de Bacias Hidrográficas Rodrigo Proença de Oliveira, 2008 130

Albufeiras em série Curva de alocação (release rule) R1+R2+S1+S2 Q1 Q2 V1 R1 N K1+K2 V1+V2+Q1+Q2 V2 R2 Curvas de distribuição V1,V2 K2 K1 V2 V1 V1+V2 IST: Gestão Integrada de Bacias Hidrográficas Rodrigo Proença de Oliveira, 2008 131

Como aplicar curvas de alocação e de distribuição - Série V1t V2t Vt = V1t + V2t Vt + Q1t + Q2t -> Rt (curva de alocação; release rule ) Vt+1 = Vt + Q1t + Q2t Rt Vt+1 = V1t+1 + V2t+1 Vt+1 - > V1t+1 (curva de distribuição / balanço) Vt+1 - > V2t+1 (curva de distribuição / balanço) R1t+1 = V1t + Q1t S1t+1 R2t+1 = V2t + Q2t + R1t+1 V2t+1 IST: Gestão Integrada de Bacias Hidrográficas Rodrigo Proença de Oliveira, 2008 132

Albufeiras em paralelo Q1 Q2 Curva de alocação (release rule) R1+R2 V1 V2 N K1+K2 V1+V2+Q1+Q2 R1 K1 V1 = Q1 R2 K2 V2 Q2 Curvas de distribuição S1,S2 K1 K2 S1 S2 S1+S2 IST: Gestão Integrada de Bacias Hidrográficas Rodrigo Proença de Oliveira, 2008 133

Como aplicar curvas de alocação e de distribuição - Paralelo V1t V2t Vt = V1t + V2t Vt + Q1t + Q2t -> Rt (curva de alocação; release rule ) Vt+1 = Vt + Q1t + Q2t Rt Vt+1 = V1t+1 + V2t+1 Vt+1 - > V1t+1 (curva de distribuição / balanço) Vt+1 - > V2t+1 (curva de distribuição / balanço) R1t+1 = V1t + Q1t V1t+1 R2t+1 = V2t + Q2t V2t+1 IST: Gestão Integrada de Bacias Hidrográficas Rodrigo Proença de Oliveira, 2008 134

Albufeira independente: Energia Curva de alocação (release rule) R+S Q R V E K S+Q Quanto maior o volume armazenado maior é a queda disponível, pelo que menor tem de se o volume turbinado; Para valores reduzidos de volume armazenado, não é eficiente ou mesmo possível turbinar. IST: Gestão Integrada de Bacias Hidrográficas Rodrigo Proença de Oliveira, 2008 135

Albufeira e um aquífero: 1 utilização Q V1 R1 Recarga V2 R2 N Depende de: Custos relativos de captação, bombagem, tratamento e adução da água da água proveniente de ambas as origens Taxa de evaporação da região (perdas de água do armazenamento superficial); Relação do volume da albufeira versus caudal afluente (risco de descarga); Características hidrogeológicas do aquífero, nomeadamente capacidade de armazenamento de água (perdas de água do armazenamento subterrâneo); IST: Gestão Integrada de Bacias Hidrográficas Rodrigo Proença de Oliveira, 2008 136

E se?? Q2 Para sistemas de maior Q1 V2 V3 Q3 dimensão e complexidade, como é possível promover E V1 R1 Nr1 R2 Na1 Na2 V4 R3 R4 R5 V6 V5 Q4 uma gestão racional integrada que considere as várias origens de água e os diferentes utilizações? IST: Gestão Integrada de Bacias Hidrográficas Rodrigo Proença de Oliveira, 2008 137

Modelos de gestão em tempo real Modelo que é executado cada vez que é necessário tomar uma decisão (e.g. todos os dias ou todas as semanas); Em cada execução o modelo calcula os volumes atribuir a cada uso em função de: Estado do sistema (volumes armazenados em cada ; Necessidades futuras; Expectativa de afluências Valores médios tendo em conta a época do ano; Função de distribuição das afluências tendo em conta a época do ano; Previsões específicas para a data em causa. IST: Gestão Integrada de Bacias Hidrográficas Rodrigo Proença de Oliveira, 2008 138

Metodologias de análise Modelação Matemática; Física; Sistema real vs sistema simplificado Análise de sistemas: Simulação; Optimização: Programação linear; Programação dinâmica; Métodos baseados em gradientes; Métodos heurísticos Redes neuronais; Algoritmos genéticos; Simulated Annealing;. IST: Gestão Integrada de Bacias Hidrográficas Rodrigo Proença de Oliveira, 2008 139

Qualidade da Água

Caracterização da qualidade de água Objectivos: Identificação dos problemas de QA; Caracterização da sua variabilidade espacial e temporal; Identificação da causas; Identificação de soluções. Problema de QA: Falta de cumprimento de um objectivo ambiental; Objectivo ambiental: Depende das utilizações da água; Preferências sócio económicas; Capacidade de procurar atingir objectivos ambientais. IST: Gestão Integrada de Bacias Hidrográficas Rodrigo Proença de Oliveira, 2008 141

Processos Inputs: Descargas Meio hídrico Processos: Output: Concentração Diluição Transporte Transf. bio-quimicas / degradação Dispersão Sedimentação Grandezas fundamentais: Massa ( kg, g, mg, ) Volume (m3, litros, ml, ) Concentração (mg/l, ug/l, ) Taxa de descarga (g/s) IST: Gestão Integrada de Bacias Hidrográficas Rodrigo Proença de Oliveira, 2008 142

Diluição Conc = Massa / Volume Unidades: mg/l mg/l Ppm Q2 = Qo + Q1 C2 = (C0 x Qo + C1 x Q1 ) / (Qo + Q1 ) IST: Gestão Integrada de Bacias Hidrográficas Rodrigo Proença de Oliveira, 2008 143

Transporte Manning-Strickler: Q = K x R 2/3 x A x i 1/2 K Coeficiente de Maning 20-40 m 1/3 s -1 Fundo de areia 10-25 m 1/3 s -1 Fundo de seixo 10.-50 m 1/3 s -1 Margem vegetal R = A / P raio hidráulico A Área de escoamento I - declive IST: Gestão Integrada de Bacias Hidrográficas Rodrigo Proença de Oliveira, 2008 144

Transformações químicas aa + bb -> cc + dd aa + bb <-> cc + dd Reacções de 1ª ordem Matéria orgânica CBO Carência bioquímica de oxigénio IST: Gestão Integrada de Bacias Hidrográficas Rodrigo Proença de Oliveira, 2008 145

Exemplo Q A = 40 l/s C A = 3x10 6 #/100 ml Q B = 20 l/s C B = 3x10 6 #/100 ml Q o = 1500 l/s U = 0,21 m/s 1 2 3 4 4,8 km 3.2 km Levantamento anterior à descarga 2, não necessariamente resultante apenas da descarga 1: X = 12 km, C = 46500 #/100 ml X = 24 km, C = 16700 #/100 ml X = 36 km, C = 9000 #/100 ml X = 48 km, C = 2800 #/100 ml C 6 C QA 3x10 x40 A 3 = = 77, 9x10 # ml Q + Q 40 + 1500 100 1 = / A o C = C o e kt lnc lnc lnc lnc ln ln k = seg t x ( 48000 12000) U 0. 21 o o 46500 2800 5 1 = = = 1. 65 10 1. 64 10 4800 3 0. 21 3 C = 77, 9 10 e = 1, 84 10 #/ 100ml 2 5 C C = ( Q + Q ) 6 o A + CB QB 53574x1540 + 20x3x10 = 40276#/ 100ml Q + Q + Q 1500 + 40 + 20 2 3 = o A B 1. 64 10 C 40276 e 0. 21 = = 3314#/ 100ml 4 IST: Gestão Integrada de Bacias Hidrográficas Rodrigo Proença de Oliveira, 2008 146 5 3200

Oxigénio dissolvido Oxigénio dissolvido OD t = OD t-1 OD cons + Arej Arejamento Tx Arej = Ka (ODsat OD) IST: Gestão Integrada de Bacias Hidrográficas Rodrigo Proença de Oliveira, 2008 147

Coeficiente de arejamento O Connor and Dobbs H: 0,3 9,0 m U: 0,1 0,5 m/s Churchil H: 0,6 3,3 m U: 1,8 5,0 m/s Owen and Gibbs H: 0,1 0,7 m U: 0,1 1,8 m/s IST: Gestão Integrada de Bacias Hidrográficas Rodrigo Proença de Oliveira, 2008 148

IST: Gestão Integrada de Bacias Hidrográficas Rodrigo Proença de Oliveira, 2008 149

Dispersão IST: Gestão Integrada de Bacias Hidrográficas Rodrigo Proença de Oliveira, 2008 150

Dispersão IST: Gestão Integrada de Bacias Hidrográficas Rodrigo Proença de Oliveira, 2008 151

Identifique o tipo de descarga Instantânea vs contínua Substância conservativa vs não conservativa Dispersão desprezável vs não desprezável IST: Gestão Integrada de Bacias Hidrográficas Rodrigo Proença de Oliveira, 2008 152